隨著航空航天等高端制造業(yè)發(fā)展，鈦合金等難加工材料應(yīng)用廣泛，但其切削高溫導(dǎo)致刀具磨損突出；綠色高速干切削技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步要求刀具低摩擦、高耐磨。表面微織構(gòu)與硬質(zhì)自潤(rùn)滑涂層結(jié)合是改善刀具性能的重要方向，MoN 涂層的協(xié)同作用機(jī)理待深入研究。光子灣科技的高端光學(xué)測(cè)量技術(shù)為材料研究提供支撐，本文結(jié)合共聚焦顯微鏡三維成像，研究表面微織構(gòu) MoN 涂層的織構(gòu)調(diào)控與摩擦學(xué)性能，為高端制造涂層應(yīng)用提供參考。

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微織構(gòu) MoN 涂層的制備與表征

微織構(gòu)MoN涂層制備示意圖

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選用M2 高速鋼和單晶Si 片為基材，M2 高速鋼經(jīng)打磨、拋光處理，所有基材均通過丙酮、酒精超聲清洗以去除表面油污。

2.涂層制備

采用兩步法制備微織構(gòu)MoN 涂層：第一步通過磁控濺射掩膜板法沉積 Cr 凸體支撐層，第二步在其表面反應(yīng)濺射沉積 MoN 涂層。通過控制 Cr 層沉積時(shí)間調(diào)控微織構(gòu)深度，改變掩膜板孔徑控制面積率（40%、50%、60%）。

3.表征方法

微觀結(jié)構(gòu)表征：采用X 射線衍射（XRD）分析物相組成與擇優(yōu)取向；掃描電子顯微鏡（SEM）觀察表面與截面形貌。

力學(xué)性能測(cè)試：納米壓入試驗(yàn)測(cè)定硬度與彈性模量，壓入深度為薄膜厚度的10%。

摩擦學(xué)性能評(píng)估：共聚焦顯微鏡用于觀察磨損表面三維形貌，測(cè)量磨痕寬度、深度并計(jì)算磨損率。使用球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，以WC-Co6% 硬質(zhì)合金、304 不銹鋼、TC4 鈦合金為摩擦副，在不同載荷下進(jìn)行干摩擦實(shí)驗(yàn)。

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不同微織構(gòu)深度的 MoN 涂層性能研究

不同微織構(gòu)深度的MoN 涂層三維輪廓以及截面高度關(guān)系圖

1.微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

微織構(gòu)MoN 涂層均由面心立方 Mo?N 相構(gòu)成，隨深度從 300nm 增至 900nm，擇優(yōu)取向由（111）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椋?00），這與凸臺(tái)區(qū)離子鍍效果增強(qiáng)及沉積粒子表面遷移率增加相關(guān)。硬度與彈性模量隨深度增加呈上升趨勢(shì)，900nm 時(shí)硬度達(dá) 35.93GPa。

2.摩擦學(xué)性能

隨微織構(gòu)深度增加，摩擦系數(shù)與磨損率均下降。4N 載荷下，無(wú)織構(gòu)涂層摩擦系數(shù)為 0.37，900nm 深度涂層降至 0.27，磨損率降低約 79%。共聚焦顯微鏡觀察顯示，微織構(gòu)通過減小實(shí)際接觸面積、儲(chǔ)存磨屑及生成Mo?O????潤(rùn)滑相實(shí)現(xiàn)減摩。

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不同面積率的微織構(gòu) MoN 涂層性能研究

不同面積率微織構(gòu)MoN 涂層的三維輪廓照片

1.微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

面積率由40% 增至 60% 時(shí)，涂層擇優(yōu)取向由（200）轉(zhuǎn)為（111），不同面積率涂層硬度均約 35GPa，彈性模量變化較小。

2.摩擦學(xué)性能

與WC-Co6% 對(duì)磨時(shí)，摩擦系數(shù)隨面積率增加下降，磨損機(jī)制為磨粒磨損；與 304 不銹鋼對(duì)磨時(shí)，微織構(gòu)涂層摩擦系數(shù)較無(wú)織構(gòu)降低 23%，但隨面積率增加而增大；與 TC4 鈦合金對(duì)磨時(shí)，黏著磨損為主，黏著層削弱微織構(gòu)作用，摩擦系數(shù)降幅隨面積率增加減小。共聚焦顯微鏡對(duì)磨痕的三維成像表明，減摩效果與接觸面積、磨屑儲(chǔ)存及摩擦膜組成相關(guān)。

本研究通過共聚焦顯微鏡等精密表征手段，深入解析了微織構(gòu)參數(shù)對(duì)MoN 涂層性能的影響規(guī)律。微織構(gòu)MoN 涂層的擇優(yōu)取向隨深度和面積率變化而轉(zhuǎn)變，力學(xué)性能受織構(gòu)參數(shù)影響顯著。摩擦學(xué)性能優(yōu)于無(wú)織構(gòu)涂層，其減摩耐磨機(jī)制與接觸面積減小、磨屑儲(chǔ)存及潤(rùn)滑相生成相關(guān)，且因摩擦副不同而存在差異。光子灣科技的高端光學(xué)測(cè)量技術(shù)可為涂層材料的精密表征提供持續(xù)支持，助力高端制造領(lǐng)域中涂層技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用。

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光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對(duì)各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對(duì)多樣化測(cè)量場(chǎng)景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測(cè)量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析技術(shù)

采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，為表面微織構(gòu)MoN 涂層的織構(gòu)調(diào)控與摩擦學(xué)性能的研究提供表征技術(shù)支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準(zhǔn)把控，成為推動(dòng)航空航天等高端制造領(lǐng)域質(zhì)量升級(jí)的重要光學(xué)測(cè)量工具。

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